Релейная защита • МЭК 61850

Продолжаем цикл публикаций «Релейная защита. МЭК 61850», в рамках которого будут рассмотрены все части стандарта и описываемых им протоколов (начало цикла – см. «Новости ЭлектроТехники» № 3(75) 2012, № 4(76) 2012, № 5(77) 2012, № 6(78) 2012, № 1(79) 2013).
Члены рабочей группы 10 Технического комитета 57 «Управление электроэнергетическими системами и сопутствующие технологии обмена информацией» МЭК, занимающейся разработкой стандарта, Алексей Олегович Аношин и Александр Валерьевич Головин рассматривают сегодня протокол передачи мгновенных значений тока и напряжения, применение которого пока ограничивается пилотными проектами.

Алексей Аношин, исполнительный директор	Александр Головин, технический директор
ООО «ТЕКВЕЛ», г. Москва

СТАНДАРТ МЭК 61850
Протокол передачи мгновенных значений тока и напряжения

Шина процесса и протокол МЭК 61850-9-2

Использование протокола МЭК 61850-9-2 неразрывно связано с термином «шина процесса» (от англ. Process Bus). Шиной процесса по МЭК 61850-1 называется коммуникационная шина данных, к которой подключены устройства полевого уровня подстанции (коммутационные аппараты, измерительные трансформаторы). В данном случае слово «шина» не следует понимать буквально, речь идет о целой системе передачи данных между устройствами. Таким образом, в общем случае к шине процесса могут быть подключены не только измерительные преобразователи, но также выключатели, разъединители и другое оборудование. Однако именно передача мгновенных значений от измерительных трансформаторов производит наибольшую нагрузку на информационную сеть шины процесса.
В традиционной схеме подключения устройств РЗА цепи от измерительных трансформаторов тока (ТТ) и напряжения (ТН), находящихся на ОРУ или в КРУЭ, прокладываются до терминалов РЗА, размещенных в ОПУ (рис. 1).

Рис. 1. Традиционная схема подключения устройств РЗА:
a) к ТТ и ТН, б) к цепям напряжения

Использование концепции шины процесса предполагает, что все сигналы, включая мгновенные значения токов и напряжений, оцифровываются непосредственно в аппарате и передаются устройствам защиты и автоматики в виде цифрового потока данных по информационной сети, называемой шиной процесса (рис. 2).

Рис. 2. Использование шины процесса для передачи данных

Как и в случае с остальными протоколами, основные концептуальные положения сервиса передачи мгновенных значений описаны главой МЭК 61850-7-2.

Характеристики

Охарактеризуем передачу мгновенных значений тока и напряжения с точки зрения требований, предъявляемых при передаче данных:

• требуется передача данных с высокой частотой, что ведет к появлению больших объемов информации, передаваемых по сети. Причем должна быть обеспечена возможность выбора различных частот, например, меньшая частота в случае использования для целей релейной защиты и большая частота для целей контроля качества электрической энергии;
• необходимо обеспечить минимальную задержку при передаче данных по сети шины станции, так как эта задержка в конечном счете будет влиять на быстродействие устройств РЗА;
• измерения, получаемые из различных источников одним приемником (например, значения тока и напряжения от разных устройств сопряжения), должны быть синхронизированы. В противном случае возможна некорректная работа устройств РЗА;
• требуется обеспечить возможность выявления потерь и искажений данных при передаче данных с целью исключения возможных излишних и ложных срабатываний РЗА, а также сигнализации в случае отказа канала связи или устройства сопряжения;
• один поток данных может быть востребован различными устройствами (например, данные о напряжении на шинах от устройства сопряжения ТН), поэтому должна быть обеспечена возможность многоадресной передачи данных;
• требуется гибкость при формировании кадров данных, поскольку измерения могут поступать как от группы трехфазных ТТ или ТН, так и от комбинированных измерительных преобразователей.

Рассмотрим механизмы, с помощью которых решались поставленные задачи.

ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ С ВЫСОКОЙ ЧАСТОТОЙ И СКОРОСТЬ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Обеспечение высокой частоты передаваемых данных на сегодняшний день является обычным требованием к сетям передачи данных, например, при решении задач телефонии или передачи потокового видео. Поэтому, хотя прикладная задача передачи мгновенных значений тока и напряжения и накладывает достаточно высокие требования в части производительности сетевого оборудования, существующее сетевое оборудование в промышленном исполнении вполне способно решать эти задачи.

Отдельно следует рассмотреть требование о возможности изменения частоты передачи данных. Так, при решении задач релейной защиты может потребоваться передавать мгновенные значения с частотой 20 выборок/период, однако для целей контроля качества электрической энергии потребуется существенно более высокая частота. С другой стороны, в указанных случаях предъявляются различные требования к быстродействию. Например, в случае передачи данных устройству релейной защиты требуется передать значения тока и напряжения в темпе реального времени с минимальной задержкой, тогда как для целей коммерческого учета и анализа качества допустимо введение задержек при условии точной привязки данных к единому времени.

Исходя из этих условий, в стандарте предусмотрено два параметра, которые будут влиять на частоту формирования кадров с выборками мгновенных значений (Sample Rate – SmpRate) и на количество измерений, размещаемых в одном кадре (Number of ASDU – noASDU). Фактическая частота формирования кадра в сеть при этом будет составлять f = SmpRate / noASDU. Так, при частоте SmpRate = 80 выборок за период и количестве мгновенных значений в одном кадре noASDU = 1, фактическая частота формирования кадров составит 80 пакетов за период, или 4 кГц. В случае частоты взятия выборок SmpRate = 256 выборок за период и количестве выборок в кадре noASDU = 8, фактическая частота формирования кадров в сеть составит лишь 1,6 кГц.

Конечно, кадр с 8 выборками будет иметь больший размер, чем с одной выборкой, однако в силу специфики сетей на базе технологии Ethernet оптимальная пропускная способность канала передачи данных достигается при максимальной длине кадров. Кроме того, при передаче нескольких выборок в одном кадре используется одна и та же общая часть кадра, что в конечном счете позволяет повысить эффективность передачи данных в случаях, когда не требуется высокое быстродействие, то есть скорость передачи каждой отдельной выборки.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ МИНИМАЛЬНЫХ ЗАДЕРЖЕК ПРИ ПЕРЕДАЧЕ ДАННЫХ

Вопрос обеспечения минимальных задержек при передаче данных по протоколу GOOSE был достаточно подробно рассмотрен в [1]. Протокол МЭК 61850-9-2, так же как и GOOSE, маппируется непосредственно на протокол второго уровня. Это в сочетании с использованием меток приоритета VLAN-Priority и качества обслуживания QoS позволяет значительно повысить приоритет данных, передаваемых по протоколу МЭК 61850-9-2, по сравнению с остальными данными, передаваемыми по той же сети с использованием других протоколов, тем самым сводя к минимуму задержки как при обработке данных внутри устройств источников и приемников данных, так и при обработке их сетевыми коммутаторами.

СИНХРОНИЗАЦИЯ ДАННЫХ И ОБНАРУЖЕНИЕ ПОТЕРЬ

Устройство релейной защиты может получать измерения от разных устройств шины процесса. Например, на защищаемом присоединении может быть установлен только трансформатор тока, тогда как данные о напряжении поступают от ТН, установленного на шинах и подключенного через отдельное устройство сопряжения (УСШ). Очевидно, что в такой ситуации отсутствие синхронизации между выборками с двух УСШ может привести к ложным и излишним срабатываниям защиты в случае возникновения различных задержек по сети и неодновременного прихода пакетов.

Отметим, что фактически присвоение метки абсолютного времени каждой выборке не требуется. Необходимо лишь, чтобы выборки, сформированные различными устройствами в один и тот же момент времени, имели один и тот же идентификатор. Таким идентификатором является поле smpCnt – счетчик выборок. Счетчик за одну секунду пробегает значения от 0 до (SmpRate · 50 – 1). Номера присваиваются формируемым выборкам одновременно, так что устройство-приемник данных по МЭК 61850-9-2 может легко установить соответствие между получаемыми значениями и производить вычисления на их основе. Для того, чтобы все устройства сопряжения формировали данные с одними и теми же номерами, используется внешний синхронизирующий импульс. При использовании секундного импульса счетчик smpCnt принимает значение 0 каждый раз при приходе синхроимпульса. Причем выборке с номером 0 соответствует выборка, взятая в момент прихода импульса.

Таким образом достигается синхронизация всех выборок, и принимающее устройство может обрабатывать значения токов и напряжений, принятые от разных устройств, компонуя их по номерам выборок (рис. 3), причем синхронизация самого принимающего устройства не требуется. С помощью счетчика выборок устройство также может осуществлять контроль целостности принимаемых данных, то есть обнаруживать факты пропажи выборок. Различные устройства по-разному реагируют на пропажу выборок. Как правило, это определяется алгоритмами, заложенными в устройство-приемник, и описано в сопроводительной документации.

Рис. 3. Синхронизация и присвоение номеров выборкам

СИГНАЛИЗАЦИЯ ОБ ИСКАЖЕНИЯХ ДАННЫХ

Важной особенностью передачи данных в цифровом формате является возможность передачи сервисной информации – так называемых мета-данных. Сервисная информация передается с использованием меток качества в одном кадре с самими выборками. Такая опция позволяет устройству-издателю снабжать передаваемые значения токов и напряжений метками, отражающими достоверность этих данных, включая информацию о том, что измерения производятся в заданном классе точности, измеряемое значение не выходит за границы допустимого диапазона, значение измерено прямым путем либо получено на основе косвенных вычислений и т.п.

Эти данные могут в дальнейшем использоваться алгоритмами принимающего устройства с целью блокировки тех или иных функций в автоматическом режиме и выдачи сигнализации оперативному персоналу.

ГИБКОСТЬ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ПОТОКОВ ДАННЫХ

По аналогии с GOOSE-сообщениями, данные в которых передаются на основе составленного набора данных (DataSet), потоки по протоколу МЭК 61850-9-2 также формируются на основе набора данных, в который включаются атрибуты мгновенных значений тока и напряжения.

В общем случае в набор данных, передаваемых по протоколу МЭК 61850-9-2, могут включаться не только эти атрибуты, но и любые атрибуты сигналов, включая дискретные сигналы, при условии что эти данные необходимо передавать с высокой частотой дискретизации.

СПЕЦИФИКАЦИЯ Light Edition

Глава МЭК 61850-9-2 описывает коммуникационный профиль протокола передачи мгновенных значений и структуру соответствующих сообщений, однако не описывает ни структуру информационной модели устройств, ни структуру набора передаваемых данных, ни частоты дискретизации измеряемых сигналов, ни способы синхронизации устройств.

За несколько лет существования первой редакции МЭК 61850-9-2 массово не были представлены устройства с его поддержкой, в первую очередь, ввиду большой гибкости, которую он давал, хотя принципиально все изложенные в нем положения всем были понятны. Каждый производитель мог определить свой набор данных, свои частоты дискретизации и реализовать устройства с соответствующими характеристиками, но его решения не были бы совместимы с решениями других производителей, либо для их совместимости потребовался бы охват большого диапазона значений изменяющихся параметров, что сразу реализовать крайне сложно.

Появилась необходимость в некой договоренности между производителями, заказчиками и другими заинтересованными сторонами. Такой договоренностью стали технические требования Implementation Guidelines for Digital Interface to Instrument Transformers using IEC 61850-9-2, получившие сокращенное наименование МЭК 61850-9-2LE. Эти технические требования не противоречат положениям стандарта МЭК 61850-9-2, а лишь зафиксировали ряд моментов:

• структуру информационной модели устройства;
• набор передаваемых данных (4 тока и 4 напряжения);
• частоты дискретизации измеряемых сигналов (4000 Гц для целей релейной защиты и коммерческого учета, 12800 Гц для целей контроля качества электроэнергии);
• способы синхронизации устройств (секундный импульс 1PPS).

Это дало толчок к массовому появлению на рынке как устройств-источников информационных потоков МЭК 61850-9-2LE, так и приемников этих потоков.

Моменты, зафиксированные техническими требованиями МЭК 61850-9-2LE, могут меняться с течением времени (так, может измениться способ синхронизации устройств, структура набора данных и т.д.). И примеры этого уже есть: тенденция к использованию протокола PTP для синхронизации устройств [3] вместо описанного в МЭК 61850-9-2LE синхроимпульса 1PPS, изменение/добавление частот дискретизации измеряемых сигналов [4] и др.

Таким образом, можно отметить, что все устройства, которые сейчас появляются на рынке, поддерживают МЭК 61850-9-2, а благодаря техническим требованиям МЭК 61850-9-2LE все производители приняли одинаковые решения в тех аспектах, где МЭК 61850-9-2 допускает гибкость.

РАЗВИТИЕ ПРОТОКОЛА В ЧАСТИ СИНХРОНИЗАЦИИ ВРЕМЕНИ И РЕЗЕРВИРОВАНИЯ

Первая редакция МЭК 61850-9-2 не предполагала использования протоколов резервирования, в связи с чем формат Ethernet-кадра, описанный первой редакцией, не включал соответствующих полей. Впоследствии вопрос применения протоколов резервирования на уровне шины процесса встал достаточно остро, в связи с чем во второй редакции стандарта в описание формата кадра 9-2 были добавлены поля для протоколов резервирования PRP и HSR.

Протокол синхронизации не описан самим стандартом МЭК 61850-9-2. Глава МЭК 61850-5 содержит лишь требования к точности синхронизации, однако также не оговаривает, каким образом должна достигаться эта точность. Единственным документом, прямо указывающим на использование синхроимпульса 1PPS, являются технические требования МЭК 61850-9-2LE. Следует отметить, что данная спецификация не предполагала использование протокола синхронизации PTPv2 согласно стандарту IEEE 1588 (МЭК 61588), профиль которого для электроэнергетики появился уже после принятия МЭК 61850-9-2LE. Однако уже сегодня появляются устройства, поддерживающие новый протокол синхронизации вместе с возможностью синхронизации по сигналу 1PPS.

Рассмотренные изменения ведут к необходимости закрепления новых технических требований или общих договоренностей взамен действующей редакции 9-2LE, и у многих возникает вопрос: когда будет издана вторая редакция 9-2LE? Однако вторая редакция 9-2LE издана не будет. На смену этому документу придет стандарт, описывающий требования к цифровому интерфейсу измерительных трансформаторов – МЭК 61869-9.

МЭК 61869-9

На сегодняшний день стандарт МЭК 61869-9 «Измерительные трансформаторы — Часть 9. Цифровой интерфейс» находится в финальной стадии разработки: он опубликован для голосования и сбора замечаний. Этот документ заменит и расширит технические требования МЭК 61850-9-2LE, которые определили первый профиль (или спецификацию) МЭК 61850 для измерительных трансформаторов тока и напряжения и устройств сопряжения. Новый стандарт учитывает опыт, накопленный в работе с техническими требованиями, изложенными в 9-2LE.

Отличительными особенностями документа являются:

• обратная совместимость с МЭК 61850-9-2LE;
• использование синхронизации согласно стандарту МЭК 61588 (2-я редакция) с сохранением возможности использования 1PPS;
• обеспечение возможности измерения электрических величин в сетях как переменного, так и постоянного тока;
• предусмотрено использование Ethernet 100 Мбит/с или 1 Гбит/с;
• определено использование следующих частот дискретизации измеряемых сигналов вне зависимости от номинальной частоты сети:
  • для целей учета электроэнергии и РЗА: 4800 Гц;
  • для целей контроля качества электроэнергии: 14400 Гц;
  • для целей учета электроэнергии и РЗА в сетях постоянного тока: 96000 Гц.

ЛИТЕРАТУРА

1. Аношин А.О., Головин А.В. Стандарт МЭК 61850. Протокол GOOSE // Новости ЭлектроТехники. 2012. № 6(78).
2. Аношин А.О., Головин А.В. Стандарт МЭК 61850. Протокол MMS // Новости ЭлектроТехники. 2013. № 1(79).
3. Временная синхронизация согласно стандарту IEEE 1588 // www.digitalsubstation.ru.
4. МЭК 61869-9 опубликован для голосования // www.digitalsubstation.ru.